Περίμενε, υπάρχουν παραπάνω από ένα είδος μαγνήτη;
Ομολογώ πως όταν σκέφτομαι τους μαγνήτες, το μυαλό μου πάει στον μικρό μαγνήτη του ψυγείου που κρατάει τη λίστα με τα ψώνια. Αλλά αποδεικνύεται πως ο μαγνητισμός είναι πολύ πιο περίπλοκος—και πολύ πιο ενδιαφέρων—απ' ό,τι νομίζαμε.
Για χρόνια, οι επιστήμονες αναγνώριζαν δύο βασικά είδη. Τους φερομαγνήτες, που είναι οι μαγνήτες της καθημερινότητας: τα μικροσκοπικά σπιν των ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζονται όλα προς την ίδια κατεύθυνση. Γι' αυτό έχουν βόρειο και νότιο πόλο, κι όταν τους φέρνεις κοντά, κάνουν εκείνο το ικανοποιητικό "κλικ".
Μετά υπάρχουν οι αντισιδηρομαγνήτες—οι σεμνές ιδιοφυΐες του κόσμου του μαγνητισμού. Εκεί, τα σπιν γειτονικών ηλεκτρονίων δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις, οπότε τα μαγνητικά τους αποτελέσματα αλληλοεξουδετερώνονται. Δεν μπορείς να κολλήσεις έναν αντισιδηρομαγνήτη στο ψυγείο σου, γιατί εξωτερικά φαίνεται εντελώς μη μαγνητικός. Αλλά στο εσωτερικό του; Είναι σαν έναν τέλεια ισορροπημένο εμφύλιο πόλεμο.
Και τα δύο είδη έχουν χρησιμότητα, αλλά και περιορισμούς. Οι φερομαγνήτες ελέγχονται εύκολα—ιδανικοί για αποθήκευση πληροφοριών—αλλά είναι αργοί και "πεινασμένοι" ενεργειακά. Οι αντισιδηρομαγνήτες αλλάζουν κατάσταση αστραπιαία, τέλειο για υπολογιστές, αλλά είναι δύσκολο να τους δουλέψεις, αφού οι μαγνητικές τους ιδιότητες είναι... κρυμμένες.
Τι θα γινόταν λοιπόν αν υπήρχε μια τρίτη επιλογή που συνδυάζει τα καλύτερα και από τις δύο;
Γνωρίστε τον Αλτερμαγνήτη
Εδώ τα πράγματα γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα.
Το 2019, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Γιόχανες Γκούτενμπεργκ του Μάιντς μελετούσαν ένα υλικό που ονομάζεται διοξείδιο του ρουθηνίου, και κάτι περίεργο συνέβη. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, το υλικό έπρεπε να συμπεριφέρεται ως αντισιδηρομαγνήτης—καμία συνολική μαγνήτιση, σπιν που αλληλοεξουδετερώνονται. Αλλά όταν το χτύπησαν με ηλεκτρικό ρεύμα, άρχισε να συμπεριφέρεται σαν φερομαγνήτης.
Αυτή η απρόσμενη συμπεριφορά δεν μπορούσε να εξηγηθεί από καμία από τις υπάρχουσες κατηγορίες. Οπότε έκαναν αυτό που κάνουν οι καλοί επιστήμονες: εφηύραν μια νέα κατηγορία.
Την ονόμασαν αλτερμαγνητισμό.
Το ωραίο είναι ότι οι αλτερμαγνήτες έχουν την "κρυφή" ιδιότητα των αντισιδηρομαγνητών—τα συνολικά τους μαγνητικά αποτελέσματα αλληλοεξουδετερώνονται. Αλλά ο τρόπος που είναι διατεταγμένα τα άτομα στο εσωτερικό τους κάνει τα ηλεκτρόνια να συμπεριφέρονται σαν να βρίσκονταν σε φερομαγνήτη. Είναι σαν να έχεις τα καλύτερα και από τις δύο κόσμους, και οι πιθανές εφαρμογές είναι ειλικρινά συναρπαστικές.
«Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να επαναστατήσουν εντελώς τον τρόπο που μεταφέρουμε πληροφορίες», λέει ο Jamir Marino, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο που μελετά τους αλτερμαγνήτες. «Μπορεί να μας δώσουν τις ταχύτητες εναλλαγής των αντισιδηρομαγνητών, διατηρώντας παράλληλα τις ηλεκτρονικές ιδιότητες που έχουμε στους φερομαγνήτες».
Φαντάσου πιο γρήγορους υπολογιστές, αποδοτικότερη αποθήκευση δεδομένων, ίσως καινούργιους τύπους αισθητήρων. Δεν είναι άσχημα για κάτι που δεν μπορείς καν να κολλήσεις στο ψυγείο σου!
Το Πρόβλημα: Το να τους Βρεις Είναι Δύσκολο
Υπάρχει όμως ένα αλλά: το να επιβεβαιώσεις ότι ένα υλικό είναι πράγματι αλτερμαγνήτης είναι δύσκολη υπόθεση.
Θεωρητικές μελέτες υποδεικνύουν ότι μπορεί να υπάρχουν πάνω από 200 υλικά που θα μπορούσαν να θεωρηθούν αλτερμαγνήτες—περισσότερα από διπλάσια από τους γνωστούς φερομαγνήτες. Είναι ένα τεράστιο πεδίο για εξερεύνηση. Αλλά σήμερα, ο εντοπισμός υποψήφιων υλικών απαιτεί ακριβά, πολύπλοκα πειράματα που μπορεί να διαταράξουν ή ακόμα και να καταστρέψουν τα ίδια τα υλικά που μελετάς.
Είναι σαν να προσπαθείς να εξετάσεις μια ευαίσθητη πεταλούδα με ένα δίχτυ που καίει λίγο. Μπορεί να μάθεις κάτι, αλλά πιθανότατα υπάρχουν καλύτεροι τρόποι.
Ένα Διαμάντι στην Τραχιά Επιφάνεια
Εδώ η ιστορία παίρνει μια στροφή που πραγματικά με ενθουσιάζει.
Ο Marino και η ομάδα του πρότειναν μια νέα μέθοδο ανίχνευσης που χρησιμοποιεί—το μαντέψεις—μια μικροσκοπική ατέλεια μέσα σε ένα διαμάντι. Όχι, δεν είναι μεταφορά. Πραγματικά θέλουν να χρησιμοποιήσουν τις ατέλειες.
Μέσα σε ορισμένα διαμάντια υπάρχουν μικροσκοπικά ελαττώματα όπου ένα άτομο αζώτου βρίσκεται δίπλα σε ένα ελλείπον άτομο άνθρακα. Αυτές οι μικροσκοπικές ατέλειες ακούγονται σαν πρόβλημα, αλλά είναι απίστευτα χρήσιμες: είναι εξαιρετικά ευαίσθητες σε κοντινή μαγνητική δραστηριότητα.
Το προτεινόμενο πείραμα θα λειτουργούσε έτσι: παίρνεις τον ύποπτο αλτερμαγνήτη και τον τοποθετείς κοντά σε ένα διαμάντι με τέτοιο ελάττωμα. Μετά περιστρέφεις το σπιν του ελαττώματος σε διαφορετικές κατευθύνσεις και μετράς πόσο γρήγορα χαλαρώνει πίσω στη φυσιολογική κατάσταση.
Αν η χαλάρωση γίνεται πιο γρήγορα σε ορισμένες κατευθύνσεις από άλλες, αυτή η ασυμμετρία θα μπορούσε να αποκαλύψει τις σύνθετες διατάξεις σπιν που κάνουν τους αλτερμαγνήτες ξεχωριστούς.
«Το ωραίο με αυτή την τεχνική είναι ότι είναι πολύ λιγότερο διαταρακτική από τις συμβατικές μεθόδους», εξηγεί ο Marino. «Δεν θέλεις η μέτρησή σου να διαταράσσει έντονα το υλικό που μελετάς».
Γιατί Πρέπει να Σε Νοιάζει;
Ξέρω τι σκέφτεσαι: «Ωραία ιστορία, αλλά γιατί με αφορά;»
Ορίστε ο λόγος: πλησιάζουμε στα όρια αυτών που μπορούν να κάνουν τα σημερινά ηλεκτρονικά μας. Οι υπολογιστές γίνονται πιο γρήγοροι, ναι, αλλά καταναλώνουν όλο και περισσότερη ενέργεια και παράγουν όλο και περισσότερη θερμότητα. Αν θέλουμε την επόμενη γενιά υπεραποδοτικών συσκευών—σκέψου κβαντικούς υπολογιστές, υλικό για προηγμένη τεχνητή νοημοσύνη, υπολογιστές που μιμούνται τον εγκέφαλο—ίσως χρειαστούμε υλικά που αλλάζουν κατάσταση πιο γρήγορα και με λιγότερη ενέργεια από οτιδήποτε έχουμε σήμερα.
Οι αλτερμαγνήτες θα μπορούσαν να είναι μέρος αυτής της λύσης.
Και η τεχνική ανίχνευσης με διαμάντια; Είναι το εργαλείο που θα μπορούσε να μας βοηθήσει να τους βρίσκουμε πιο γρήγορα. Είναι σαν να δίνεις στους επιστήμονες έναν καλύτερο ανιχνευτή μετάλλων για μια παραλία γεμάτη θαμμένους θησαυρούς—εκτός που ο θησαυρός είναι υλικά που ίσως τροφοδοτήσουν τις συσκευές του αύριο.
Η έρευνα βρίσκεται ακόμα σε αρχικά στάδια, αλλά βρίσκω τον εαυτό μου πραγματικά ενθουσιασμένο για το πού μπορεί να οδηγήσει. Μερικές φορές οι πιο μεταμορφωτικές τεχνολογίες προέρχονται από ανακαλύψεις που σχεδόν χάθηκαν—συμπεριφορές που δεν ταίριαζαν στα υπάρχοντα καλούπια, υλικά που κανείς δεν σκέφτηκε να εξετάσει στενά, μικροσκοπικές ατέλειες σε διαμάντια που αποδεικνύονται τέλειοι αισθητήρες.
Ο επόμενος σπουδαίος μαγνήτης μπορεί να κρύβεται μπροστά στα μάτια μας, περιμένοντας έναν ευφυή επιστήμονα με ένα διαμάντι και μια φρέσκια ιδέα να τον βρει.